펌프의 재료와 방식

  효성중공업(주)(현, (주)효성)과 일본의 (株)荏原(EBARA)製作所 그리고 미국의 BW/IP International(현, Flowserve Corporation) 3개사가 펌프사업 부문에서 최고의 경쟁력을 갖추기 위해, 자본 합작과 기술제휴를 통해 설립한 효성에바라(주)로부터 자료를 제공받아 펌프란 무엇인가에 대해 알아본다.

펌프의 기초부터 펌프의 원리, 펌프의 기술, 펌프의 응용분야까지 펌프의 ‘A to Z’를 상세하게 소개하여 펌프를 공부하는 학생이나 이 업계의 종사자, 이 업계에 입문하려는 이들에게 펌프에 대한 이해를 높이고자 한다. <편집자 주>

1.2 펌프계에서 발생하는 수충격현상

  앞서 말한 바와 같이 송수관에 있어서 어떤 원인에 의해 관내 유속이 급격하게 변화하면 관내압력이 과도적으로 크게 변동하는데, 펌프 송수관계에서는

(1) 펌프의 기동시

(2) 펌프의 정지시

(3) 펌프의 회전수 제어시

(4) 밸브의 개폐시

  등의 경우에 생기지만, 일반적으로 수충격이 문제가 되는 것은 정전 등에 의한 펌프구동력 차단에 따라 펌프가 급정지하는 경우가 대부분이다. 한편, 수충격에 의해 생기는 압력상승과 압력강하의 크기는,

(1) 관내유속의 시간적 변화

   (a) 펌프의 특성과 회전속도 변화의 관계

   (b) 밸브의 특성과 개폐시간 및 개폐형상

(2) 관로길이와 상태

(3) 펌프 원동기의 종류

  등에 따라 다르지만 펌프 급정지 후의 현상은 대략 다음과 같다.

1) 펌프에 역지변이 없는 경우
 
 a) 제 1단계 (펌프영역 : 正轉, 正流상태)

  운전중의 펌프가 그 구동력을 잃어도 회전체의 관성에 의해 회전이 지속되지만, 회전을 지속시키는 힘은 물을 이송하는데 필요한 에너지에 비해 작을 뿐만 아니라 보유하고 있는 에너지는 양수를 위한 에너지로서 시간이 경과함에 따라 소비되어, 회전수는 급격하게 저하하여 양수량도 감소한다.

  한편, 송수관내의 물은 관성력에 의해 송수 상태를 지속하도록 하기 때문에 펌프 토출구 부근의 압력은 급격하게 강하한다.

  펌프의 회전수가 더욱 감소하게 되면, 펌프는 정회전함에도 불구하고 토출측 압력에 대해 송수불능으로 되어 물의 흐름은 일단 정지한다.

  이때 생기는 관내의 압력 강하는 주로 펌프와 원동기의 회전관성 및 유속, 관연장 등의 영향을 받는데, 심한 경우에는 양액이 포화증기압 이하로 되어 토출관내에서 국부적으로 기화 증발되어, 소위 수주분리라 부르는 현상을 수반하게 된다.

 b) 제 2단계 (펌프 제동영역 : 正轉, 逆流상태)

  일단 정지한 물은 다음순간부터 역류를 시작하는데, 정회전하고 있는 회전차가 역류하는 물의 저항으로 되기 때문에, 역류량이 증가함에 따라 압력이 상승하기 시작한다.

  한편, 펌프의 회전수는 역류하는 물의 제동작용에 의해 점점 감소하여 결국에는 0으로 되어 펌프는 정지한다.

 c) 제 3단계 (수차영역 : 逆轉, 逆流상태)

  다음 순간부터 펌프는 역류하는 물에 의해 수차로 되어 역전을 시작하고 점점 가속되어 결국에는 무부하의 수차로서 일정한 무구속속도의 상태로 되어 안정하게 된다.

  무부하의 수차로서 안정된 상태로 도달하는 도중에 역류량, 회전수는 일시적으로 증가하는데 최종 상태에서는 역류량이 정규유량의 60~80%, 역전수는 정규 회전수의 110~130%로 된다.

2) 펌프에 역지변이 있는 경우

 a) 역지변이 있으므로 상기의 제2단계에서 물이 역류를 시작하면 역지변이 닫혀 역류는 일어나지 않는다.

  그러나 제1단계에서 발생한 강하파가 토출관 끝의 토출조에 의해 반사되어 상승파로 되어 압력은 상승한다(급폐식 역지변에 상당).

  따라서, 역지변의 폐쇄가 물의 흐름이 정지하는 순간(펌프유량 0)에 지체없이 이상적으로 이루어지면 ‘압력의 상승은 없을 것이다’라고 하는 것은 옳지 않다.

 b) 만약 역지변의 폐쇄가 늦어져 역류가 생겨 급폐쇄하면 역류량을 급히 저지하기 때문에 충돌적인 압력상승이 추가된다(보통의 역지변에 상당).

 c) 역지변 폐쇄후는 일단 상승된 압력이 일정 주기로 상승, 강하를 반복하면서 점점 감쇠한다.

3) 펌프 토출변(역지변 포함)을 제어한 경우

  펌프가 급정지한 때의 제1단계의 압력 강하량은, 회전체의 관성을 일정하다고 하면 주로 펌프의 특성과 송수관로의 상태에 따라 결정되지만, 제2단계 이후의 현상은 토출변을 적절하게 제어함으로써 변화시킬 수 있다.

  즉, 제2단계 이후의 역류량 및 압력상승을 억제하도록 펌프계에 적합한 밸브특성을 가지는 밸브형식(예를 들면, 각종의 완폐역지변과 기름, 물, 공기압 작동밸브 등) 및 밸브 폐쇄시간을 결정하는 것은 수충격 경감의 견지에서는 물론 펌프 설비계획에 있어서도 중요하다.

2. 수충격에 의한 피해

  수충격작용을 방지하기 위해서는 펌프 급정지 후의 관내유속의 변화가 늦어지도록 하면 좋지만, 그 주된 목적이 압력의 이상저하에 있는지 또는 이상상승에 있는지에 부설계획과 더불어 수충격의 충분한 검토와 적절한 대책을 세울 필요가 있다.

1) 압력상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 관로 등 여러기기가 파손된다.

2) 압력강하에 의해 관로가 압괴하거나 수주분리가 생겨 재결합 시에 발생하는 격심한 충격파에 의해 관로가 파손된다.

3) 진동, 소음의 원인이 된다.

4) 주기적인 압력변동 때문에 자동제어계 등 압력컨트롤을 하는 기기들이 난조를 일으킨다.

3. 수충격작용 방지장치

  수충격작용을 방지하기 위해서는 펌프 급정지후의 관내유속의 변화가 늦어지도록 하면 좋지만, 그 주된 목적이 압력의 이상저하에 있는지 또는 이상상승에 있는지에 따라 경감장치도 다르며 또한 여러가지 방법을 조합할 필요성도 있을 수 있다.

  그러나 일반적으로 펌프 급정지후 펌프 토출라인에서의 부압 즉, 압력강하를 방지하면 이상압력상승도 방지할 수 있으므로 부압발생의 방지가 수충격작용에 의한 피해를 줄이는 최선의 방책이라 할 수 있다.

  따라서 근래에는 일반적인 펌프계의 경우 부압방지장치중 가장 효과적이라 할 수 있는 공기조(Air Chamber), One-Way Surge Tank, 또는 이들을 조합하여 사용하는 경우가 많다.

  다음에 대표적인 부압(수주분리)의 방지 및 상승압의 방지법에 대하여 나타낸다.

3.1 부압(수주분리) 방지법

1) 펌프에 Flywheel을 설치한다.

  펌프의 회전부의 관성효과(GD2)를 크게 하여 펌프 회전수와 유량의 급격한 저하를 방지한다.

  설비는 비교적 간단하며 효과도 크지만 송수관로가 상당히 긴 경우와 종단면에 요철이 큰 경우에는 Flywheel이 매우 크게 되어 설치가 불가능한 경우가 있다.

  설치 방법으로서는 축 플랜지 겸용식, 별도설치식이 있지만 어떤 경우도

a) 설치공간의 문제(그림 5.3과 같이 개략   만큼 길어 진다)

(A) 축플랜지 겸용식              =50~200mm

(B) 별도설치식                     =800~2000mm

b) 기동상의 문제(Flywheel GD2가 지나치게 크면 기동 시간이 길어지고, 최악의 경우에는 기동을 할 수 없기 때문에 구동기 제작 업체로부터 구동측의 허용 GD2를 입수함과 동시에 기동방식에 대해서도 충분한 검토를 행할 필요가 있다.)

c) 베어링의 문제(Flywheel 중량이 지나치게 크게 되면 베어링을 보강할 필요가 있고, 경우에 따라서는 베어링의 냉각과 강제 윤활이 필요하다.)

d) 축 플랜지의 문제(축 플랜지로서 전자 카프링과 원심 마찰 클러치를 사용하면 펌프 급정지와 동시에 원동기측과 펌프측이 분리되어 부압방지에 유효한 GD2값이 작아지기 때문에 주의할 필요가 있다.)

e) Flywheel 재질에 따라 주속(周速)에 제한이 있는(GC: 40m/s, SC:50m/s. SF:60m/s) 등의 문제에 대해서는 충분히 검토하여 둘 필요가 있다.

<그림 5.3 Flywheel 설치 예>

2) 펌프 토출측에 공기조(Air Chamber)를 설치한다.

  공기조는 물과 공기가 들어있는 밀폐용기로서 펌프 토출측 부근의 토출라인에 설치하며, 펌프 급정지에 의해 토출라인내의 물의 압력이 떨어지면 공기조 내에 축적되어 있는 압력에너지를 방출하고, 역으로 토출라인내의 물의 압력이 올라가면 물을 받아들여 압력 에너지를 흡수하므로써 압력의 급상승 또는 급강하를 방지하는 가장 효과적인 수충격 방지장치의 하나이다.

a) 공기조의 자동 컨트롤

  펌프계의 안정성 및 신뢰성 향상을 위해 공기조는 일반적으로 공기조내의 공기압 또는 수위유지를 목적으로 공기압축기와 연결되며, 레벨센서 등에 의해 자동 컨트롤을 하는 경우가 대부분이다.

  컨트롤시퀀스는 펌프계에 따라 다르지만 전형적인 예를 소개하면 다음과 같다.

<그림 5.4 공기조의 자동 컨트롤 예>

a. Level 1 : Lowest Level Indication

   -Level 1 이하로 수위가 내려가면 공기조내의 공기가 파이프라인으로 유입될수 있으므로,

    수위가 Level 1에 도달하면 Warning이 표시되도록 한다.

b. Level 2 : Compressor Switch-off Level

   -Level 2는 정상운전 범위의 하한선으로, 수위가 Level 2 이하가 되면 압축기 작동이 정지한다.

c. Level 3 : Compressor Switch-on Level

   -Level 3은 정상운전 범위의 상한선으로, 수위가 Level 3 이상이 되면 주압축기가 작동한다.

d. Level 4 : Compressor Back-up Level

   -정상 운전상태에서 수위가 Level 4에 도달하면 보조 압축기가 작동하며, 이상 상태를 나타내는 Warning이
    표시되도록 한다. 수위가 Level 4a에 도달하면 보조 압축기의 작동이 정지되며, Level 2에 도달하면 주압축기
    도 정지된다. 

e. Level 5 : High Level Indication

   -수위가 Level 5에 있는 상태에서는 공기조가 수충격 작용을 효과적으로 방지할 수 없으므로 Level 5에서는  
    경보음이 울리도록 한다.

f. Level 1a : Air Release Valve Open

   -수위가 Level 1a 이하로 내려가면 공기조내의 공기는 배기변을 통해 방출된다.

다음호에 계속 ☞